智能型手機的問世除了帶動行動世代的崛起，更加速通訊技術的革新，在幾年間，資料傳輸率的增加讓使用者享受高速行動網絡新體驗，3G、4G、5G 的議題熱度也始終居高不下，并躍居産官學研等機關的研究主題。
但是一般人對 4G 乃至于 5G 的認知，就是手機上網的速度更快，并不了解背後的科學含意，本文将從不同通訊世代的角度切入，一步步帶領讀者認識這些技術背後的原理，到底什麼是電磁波?什麼是帶寬?不同世代的差别又在哪裡?
行動電話的世代
我們常常聽到廣告說：4G LTE，其中 G 代表「代(Generation)」，4G 代表第四代，是為了與之前的第二代(2G)、第三代(3G)行動電話做出區隔，我們以目前全球市占率最高的歐洲系統來說明，這也是目前台灣所使用的系統：
第二代行動電話(2G)：GSM 系統隻支援線路交換(注)的語音信道，主要透過語音信道打電話與傳送簡訊，GPRS 系統支援分組交換是以可以上網，但是由于利用語音信道傳送資料封包，是以上網的速度很慢。
第三代行動電話(3G)：UMTS 系統支援分組交換(注)，可以用更快的速度上網，由于 3G 的手機同時支援 2G ，是以當我們使用 3G 的手機講電話或傳簡訊時，其實是使用 GSM 系統的語音信道來完成。
·第四代行動電話(4G)：LTE / LTE-A 系統支援分組交換，可以用更快的速度上網，由于 4G 的手機大多同時支援 3G 與 2G，是以在手機找不到 LTE 基地台時仍然會以 UMTS 基地台上網，講電話或傳簡訊時仍然是使用 GSM 系統的語音信道來完成。
其實 4G 使用的 LTE 系統由于資料傳輸率很高，可以直接将語音資料切割成封包來傳送，原理就和 Skype 網絡電話一樣，可以讓音質更好，但是分組交換通常費用是以資料傳輸率來計算，等于使用者講再久費用都一樣，對電信公司來說如何收到更多錢是個問題;反觀線路交換是計時收費，電信公司能夠賺到更多錢，是以目前台灣大部份電信公司的 4G LTE 提供講電話或傳簡訊時，仍然是使用 GSM 系統的語音信道來完成。
帶寬的科學含意
一般人對通訊世代的認知就是愈後面的世代表示帶寬(Bandwidth)愈寬，帶寬就好像高速公路，帶寬愈寬就好像高速公路愈寛(車道愈多)，代表行車速度愈快，也就是通訊時資料傳輸率愈高;再講簡單一點，就是手機上網的速度更快，這樣的觀念是對的，但是這種認知是不科學的，要解釋帶寬，我們需要從電磁波說起。
無線通信傳遞媒介：電磁波
電磁波(Electromagnetic wave)是由互相垂直的「電場(Electric field)」與「磁場(Magnetic field)」互動作用而産生的一種「能量(Energy)」，這種能量在前進的時候就像水波一樣會依照一定的頻率不停地振動，如圖1(a)所示。電磁波每秒鐘振動的次數是「頻率(Frequency) 」，機關為「赫茲(Hz)」，假設某一個電磁波一秒鐘振動 2 次，則頻率為 2Hz，如圖1(b)所示;一秒鐘振動 4 次，則頻率為 4Hz，如圖1(c)所示，例如：無線區域網路絡(Wi-Fi)與藍牙(Bluetooth)的通訊頻率為 2.4GHz，意思就是它使用的電磁波每秒鐘振動 24 億次(在這裡 G 的意思是 Giga，也就是 Billion，代表 10 億，不是前面 3G、4G、5G 的那個 G)。
圖1：電磁波的定義
(a)電磁波是由彼此互相垂直的電場與磁場互動作用而産生的能量;
(b)每秒鐘振動 2 次則頻率為2Hz;
(c)每秒鐘振動 4 次則頻率為4Hz。
宇宙裡自然存在的所有電磁波如圖2(a)所示，我們稱為「電磁波頻譜(Spectrum) 」，由圖中可以看出中間的部分是光(Light)，包括：紅外光(Infrared，IR)、可見光(人類肉眼可以看見的光)、紫外光(Ultraviolet，UV)，是以光是一種電磁波;右邊為頻率更高(能量更高)的電磁波;左邊為頻率更低(能量更低)的電磁波，由于頻率較低的電磁波比較安全，而且具有良好的繞射特性，是以适合用來做為無線通信使用。
圖2：電磁波頻譜與應用。
(a)電磁波頻譜;
(b) 通訊電磁波頻譜。
目前用來做為無線通信的電磁波如圖2(b)所示，包括：
頻率大約 100G~1GHz 的電磁波：通常應用在衛星通訊、衛星定位、雷達與微波通訊等，而頻率 30GHz 以上(相當于波長 10 毫米以下)的電磁波稱為「毫米波(Millimeter Wave)」，目前有公司計劃應用在 5G 的通訊系統中。
頻率大約 100M~1MHz 的電磁波：通常應用在無線電視、行動通訊(GSM / GPRS)、調幅廣播(AM)、業餘無線電、調頻廣播(FM)等。
頻率大約 100K~1KHz 的電磁波：通常應用在航空無線電、海底電纜、電話與電報等。
無線通信傳遞通道：帶寬
帶寬(Bandwidth)是用來傳遞訊号的「頻率範圍」，機關與頻率相同為「赫茲(Hz)」，而且每一對通訊使用者必須使用「不同的頻率範圍」來通話，假設：
甲和乙使用頻率 900~900.2MHz 的電磁波通話(帶寬 900.2-900=0.2MHz);
丙和丁使用頻率 900.2~900.4MHz 的電磁波通話(帶寬 900.4-900.2=0.2MHz);
此時我們說這個通訊系統的語音信道帶寬為 0.2MHz。
手機并不會分辨到底是誰和誰在通話，而是接收某一個「頻率範圍(帶寬)」的電磁波訊号，是以甲與乙通話時手機都接收頻率 900~900.2MHz 的電磁波，丙與丁通話時手機都接收頻率 900.2~900.4MHz 的電磁波，換句話說，所有的通訊元件都是「隻認頻率不認人」，而且相同頻率範圍的電磁波隻能使用一次，不能重複使用，否則會互相幹擾。
帶寬與資料傳輸率的差異
「帶寬(Bandwidth)」與「資料傳輸率(Data rate)」的意義很類似，常常讓我們混淆，這裡簡單說明它們之間的差别：
帶寬(Bandwidth)是模拟通訊使用的名詞：由圖一可以看出，電磁波是一種連續的波動能量，既然是連續的當然一定是模拟訊号，是以「帶寬(Bandwidth)」和它的機關「赫茲(Hz)」指的都是電磁波的實體特性。
資料傳輸率(Data rate)是數字通訊使用的名詞：手機會先将我們講話的聲音(連續的模拟訊号)先轉換成不連續的 0 與 1 兩種數字訊号，再經由天線傳送出去。資料傳輸率的機關「每秒位數(bps：bit per second)」，代表每秒可以傳送幾個位，也就是每秒可以傳送幾個 0 或 1，例如：1Gbps(1G = 10 億)代表每秒可以傳送 10 億個位(10 億個 0 或 1)。
資料傳輸率是數字通訊時實際傳送每個位資料的速率，重點是數字訊号讓我們可以利用不同的調變與多任務技術，使相同帶寬的媒體具有更高的資料傳輸率，這就是目前許多新的通訊技術，例如：3G 使用的 WCDMA、4G 使用的 OFDM 等被發明出來的原因，後面會再詳細說明。
在前文中，我們了解到無線通信的頻譜有限，配置設定非常嚴格，相同帶寬的電磁波隻能使用一次，例如 2G 的 GSM900 系統使用頻率範圍 890~960MHz，則其他的無線通信就不能再使用這個頻率範圍，否則會互相幹擾。為了解決僧多粥少的難題，工程師研發出許多技術，來擴增頻譜的使用率，例如 TDMA、FDAM、CDMA、OFDM，而在這些複雜技術的背後，隻要能掌握兩個基本概念，就能了解整個通訊技術的發展關鍵。
這兩個基本概念為「調變技術」(Modulation)與「多任務技術」(Multiplex)。其中調變技術是将模拟電磁波調變成不同的波形，來代表 0 與 1 兩種不同的數字訊号，這樣才能利用天線傳送到很遠的地方(這裡隻談數字調變技術，不讨論早期的 AM、FM 這種模拟調變技術)。多任務技術則是将電磁波區分給不同的使用者使用，由于手機必須設計給所有的人使用，當每支手機都把電磁波丢到空中，該如何區分那個電磁波是誰的呢?
數字調變技術(Digital modulation)
現在的手機是屬于「數字通訊」，也就是我們講話的聲音(連續的模拟訊号)，先由手機轉換成不連續的 0 與 1 兩種數字訊号，再經由數字調變轉換成電磁波(模拟訊号載着數字訊号)，最後從天線傳送出去，原理如圖3所示。
圖3：數字通訊示意圖。(Source：the noun project)
電磁波是連續的能量，如何利用電磁波替我們傳送這些0與1的數字訊号呢?是以科學家發明了下列 4 種數字調變技術：
1.振幅位移鍵送(ASK)：利用電磁波的「振幅大小」載着數字訊号(0 與 1)傳送出去，振幅小代表 0，振幅大代表 1，圖4(a)所示。
2.頻率位移鍵送(FSK)：利用電磁波的「頻率高低」載着數字訊号(0 與 1)傳送出去，頻率低代表 0，頻率高代表 1，圖4(b)所示。
3.相位位移鍵送(PSK)：利用電磁波的「相位不同(波形不同)」載着數字訊号(0 與 1)傳送出去，相位 0° 代表 0，相位 180° 代表 1，圖4(c)所示。
4.正交振幅調變(QAM)：同時利用電磁波的「振幅大小」與「相位不同(波形不同)」載着數字訊号(0 與 1)傳送出去，這個圖形比較複雜有興趣的人可以參考這裡。
圖4：數字訊号調變技術
(a)ASK：振幅小代表 0，振幅大代表 1;
(b)FSK：頻率低代表 0，頻率高代表 1;
(c)PSK：相位 0° 代表 0，相位 180° 代表 1。
數字調變技術的優點包括可以偵錯與除錯、可以壓縮與解壓縮、可以加密與解密、更好的抗噪聲能力等，我們所使用手機 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS、4G 的 LTE / LTE-A、無線區域網路絡(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)等都是使用數字調變，顯然數字通訊是發展的趨勢。
傳送端将數字訊号(0 與 1)轉變成不同的電磁波波形稱為「調變(Modulation)」;同理，接收端将不同的電磁波波形還原成數字訊号(0 與 1)稱為「解調(Demodulation)」，所有的通訊裝置一般都必須同時支援傳送(調變)與接收(解調)，是以科學家把負責調變與解調的元件稱為「調變解調器」，英文就把「Modulation」與「Demodulation」的字頭組合成一個新單字「Modem」，下回隻要聽到 Modem 就知道它是在做通訊用的元件啰!
多任務技術(Multiplex)
多人共同使用一條資訊信道的方法稱為「多任務技術」(Multiplex)，簡單的說，天空隻有一個，你的手機要丢電磁波出去，我的手機也要丢電磁波出去，兩種電磁波在天空中混在一起，接收端該如何區分那些是你的(和你通話的)，那些是我的(和我通話的)呢?
多任務技術的目的就是讓所有人使用，而且彼此不能互相幹擾，為了增加資料傳輸率，可能必須同時使用兩種以上的多任務技術，才能滿足每個人都要使用的需求。無線通信常見的多任務技術包括下列 4 種：
1.分時多任務接取(TDMA)：使用者依照「時間先後」輪流使用一條資訊信道，如圖5(a)所示，目前 2G 的 GSM / GPRS 系統有使用 TDMA。
2.分頻多任務接取(FDMA)：使用者依照「頻率不同」同時使用一條資訊信道，如圖5(b)所示，前面介紹每一對使用者必須使用「不同的頻率範圍」來通話，其實就是 FDMA，目前 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS 有使用 FDMA。
3.分碼多任務接取(CDMA)：将不同使用者的資料分别與特定的「密碼(Code)」運算以後，再傳送到資料信道，接收端以不同的密碼來分辨要接收的訊号，如圖5(c)所示。目前 3G 的 UMTS 有使用 CDMA。
4..正交分頻多任務(OFDM)：前面介紹過分頻多任務(FDMA)是使用者依照「頻率不同」同時傳送資料，而 OFDM 原理類似，唯一不同的是必須使用彼此「正交」的頻率，這個原理比較複雜有興趣的人可以參考這裡，目前 4G 的 LTE / LTE-A、無線區域網路絡(IEEE802.11a/g/n)、數字電視(DTV)、數字音頻傳輸(DAB)有使用 OFDM。
圖5：多任務技術(Multiplex)。
(a)TDMA：依照時間先後輪流使用;
(b)FDMA：依照頻率不同同時使用;
(c)CDMA：将不同使用者的資料分别與特定的密碼運算。
多任務技術的比喻
多任務技術比較複雜，我們可以想象在房子裡，甲與乙要講話，丙與丁要講話，戊與己要講話：
分時多任務接取(TDMA)：甲與乙先講一句，再換丙與丁講一句，再換戊與己講一句，依此類推，大家輪流(分時)講話彼此就不會互相幹擾。
分頻多任務接取(FDMA)：甲與乙在客廳講話，丙與丁在書房講話，戊與己在卧室講話，大家在不同的房間(分頻)講話彼此就不會互相幹擾。
·分碼多任務接取(CDMA)：甲與乙用中文講話，丙與丁用英文講話，戊與己用日文講話，這樣雖然大家在同一個房子裡講話，各自仍然可以分辨出各自不同的語言，當甲與乙用中文講話時，丙與丁的英文以及戊與己的日文隻是聲音幹擾而己，不會造成甲與乙解讀中文的困擾;同理，當丙與丁用英文講話時，甲與乙的中文以及戊與己的日文隻是聲音幹擾而己，不會造成丙與丁解讀英文的困擾，在這個例子裡「用不同的語言講話」就好像「用不同的密碼加密」一樣。
4G 與 5G 的技術發展目的：增加頻譜效率與帶寬
「頻譜效率」(Spectrum efficiency)是機關帶寬(Hz)具有多少資料傳輸率(bps)，可參考表 1 的說明，當機關帶寬的資料傳輸率高，代表頻譜效率高，例如：LTE 可以提供上傳 2.5bps/Hz，下載下傳 5bps/Hz;LTE-A 可以提供上傳 5bps/Hz，下載下傳 10bps/Hz，顯然 LTE-A 的頻譜效率比 LTE 高。是以 4G 與 5G 技術的發展隻為了兩個目的：
增加頻譜效率
由于相同的頻率隻能使用一次，是以必須利用更新的調變與多任務技術來增加頻譜效率，讓相同帶寬的電磁波具有更高的資料傳輸率，也就是把更多的 0 和 1 塞進相同帶寬的電磁波裡來傳送。
增加帶寬
由于目前的電磁波頻譜裡 10GHz 以下的電磁波大部分都已經被用掉了，頻譜效率再怎麼提高總有技術上的極限，是以科學家隻能去挖更高頻還沒有被使用的電磁波來給 5G 手機用，大家現在明白為什麼 Samsung 的 5G 技術會想要使用頻率 30GHz(相當于波長 10 毫米)的「毫米波(Millimeter Wave)」了吧!相關的新聞請參考這裡。
表 1：數字通訊系統的頻譜效率比較表
注：表 1 中的頻譜效率是直接以資料傳輸率除以信道帶寬，但是不同世代的通訊系統使用不同的技術，這個并沒有考慮進去，是以表中不同世代應該分開來比較才有意義。
僧多粥少，無線通信的使用執照與頻譜配置設定
經由前面的介紹可以發現，無線通信的頻譜非常珍貴，僧多粥少，是以使用執照費也比較高。那麼是由誰來決定那一種系統使用那一個頻率範圍才不會重複呢?國内的無線通信頻譜目前是由國家通訊傳播委員會(NCC)管理，每一家系統業者(例如：中華電信、台灣大哥大、遠傳電信等)都必須先向 NCC 取得使用執照才能經營無線通信業務，由于無線通信的頻譜非常珍貴，可以使用的頻率範圍有限，是以使用執照有限，通常會以公開招标的方式讓出價最高的電信業者取得使用執照，這就是去年的「第四代(4G)行動寬帶業務釋照」。
不隻如此，由于我們大家是共享同一個空間，如果無線通信裝置任意發出頻率不正确的訊号會幹擾到其他通訊裝置，是以所有的無線通信裝置，包括我們使用的手機與無線區域網路絡(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)等産品都必須先進行測試合格才可以上市銷售。
注：線路交換與分組交換